Une nouvelle technique quantique pourrait changer la façon dont nous étudions l’Univers

Une révolution est en cours en astronomie. En fait, on pourrait dire qu’il y en a plusieurs.

Au cours des dix dernières années, l’étude des exoplanètes a considérablement progressé, l’astronomie des ondes gravitationnelles est devenue un nouveau domaine et les premières images de trous noirs supermassifs (SMBH) ont été capturées.

Un domaine connexe, l’interférométrie, a également fait des progrès incroyables grâce à des instruments très sensibles et à la possibilité de partager et de combiner les données provenant d’observatoires du monde entier. En particulier, la science de l’interférométrie à très longue base (VLBI) ouvre de toutes nouvelles possibilités.

Selon une étude récente menée par des chercheurs australiens et singapouriens, une nouvelle technique quantique pourrait améliorer la VLBI optique. Il s’agit du passage adiabatique Raman stimulé (STIRAP), qui permet de transférer des informations quantiques sans pertes.

Lorsqu’elle est imprimée dans un code de correction d’erreur quantique, cette technique pourrait permettre des observations VLBI dans des longueurs d’onde auparavant inaccessibles. Une fois intégrée aux instruments de la prochaine génération, cette technique pourrait permettre des études plus détaillées des trous noirs, des exoplanètes, du système solaire et de la surface des étoiles lointaines.

Les recherches ont été menées par Zixin Huang, chercheur postdoctoral au Centre for Engineered Quantum Systems (EQuS) de l’université Macquarie à Sydney, en Australie. Elle a été rejointe par Gavin Brennan, professeur de physique théorique au Département d’ingénierie électrique et informatique et au Centre des technologies quantiques de l’Université nationale de Singapour (NUS), et par Yingkai Ouyang, chercheur principal au Centre des technologies quantiques de la NUS.

En clair, la technique d’interférométrie consiste à combiner la lumière de différents télescopes pour créer des images d’un objet qui serait autrement trop difficile à résoudre.

L’interférométrie à très longue base fait référence à une technique spécifique utilisée en radioastronomie, qui consiste à combiner les signaux d’une source radio astronomique (trous noirs, quasars, pulsars, nébuleuses stellaires, etc.) pour créer des images détaillées de leur structure et de leur activité.

Ces dernières années, le VLBI a permis d’obtenir les images les plus détaillées des étoiles qui gravitent autour de Sagitarrius A* (Sgr A*), le SMBH situé au centre de notre galaxie. Elle a également permis aux astronomes de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) de capturer la première image d’un trou noir (M87*) et de Sgr A* lui-même !

Mais comme ils l’indiquent dans leur étude, l’interférométrie classique est encore entravée par plusieurs limites physiques, notamment la perte d’information, le bruit et le fait que la lumière obtenue est généralement de nature quantique (où les photons sont enchevêtrés). En s’attaquant à ces limites, le VLBI pourrait être utilisé pour des relevés astronomiques beaucoup plus fins.

Le Dr Huang a déclaré à Universe Today par courrier électronique : “Les systèmes d’imagerie à grande base actuellement à la pointe de la technologie fonctionnent dans la bande des micro-ondes du spectre électromagnétique. Pour réaliser l’interférométrie optique, il faut que toutes les parties de l’interféromètre soient stables à une fraction de la longueur d’onde de la lumière, afin que la lumière puisse interférer. “

“C’est très difficile à réaliser sur de grandes distances : les sources de bruit peuvent provenir de l’instrument lui-même, de la dilatation et de la contraction thermique, des vibrations, etc. et, en plus, il y a des pertes associées aux éléments optiques.

L’idée de cet axe de recherche est de nous permettre de passer des micro-ondes aux fréquences optiques ; ces techniques s’appliquent également à l’infrarouge. Nous pouvons déjà faire de l’interférométrie à grande base dans les micro-ondes. Cependant, cette tâche devient très difficile dans les fréquences optiques, car même l’électronique la plus rapide ne peut pas mesurer directement les oscillations du champ électrique à ces fréquences.”

Selon le Dr Huang et ses collègues, la clé pour surmonter ces limites est d’utiliser des techniques de communication quantique comme le passage adiabatique Raman stimulé. Le STIRAP consiste à utiliser deux impulsions lumineuses cohérentes pour transférer des informations optiques entre deux états quantiques applicables.

Selon M. Huang, l’application de cette technique à la VLBI permettra d’effectuer des transferts de population efficaces et sélectifs entre des états quantiques sans souffrir des problèmes habituels de bruit ou de perte.

Comme ils le décrivent dans leur article (“Imaging stars with quantum error correction”), le processus envisagé consisterait à coupler de manière cohérente la lumière des étoiles à des états atomiques “sombres” qui ne rayonnent pas.

Selon M. Huang, l’étape suivante consiste à coupler la lumière avec la correction d’erreurs quantiques (QEC), une technique utilisée dans l’informatique quantique pour protéger les informations quantiques des erreurs dues à la décohérence et à d’autres “bruits quantiques”.

Mais comme l’indique Huang, cette même technique pourrait permettre une interférométrie plus détaillée et plus précise :

“Pour imiter un grand interféromètre optique, la lumière doit être collectée et traitée de manière cohérente, et nous proposons d’utiliser la correction d’erreur quantique pour atténuer les erreurs dues à la perte et au bruit dans ce processus.

La correction d’erreurs quantiques est un domaine en plein essor qui vise principalement à permettre un calcul quantique évolutif en présence d’erreurs. En combinaison avec l’intrication pré-distribuée, nous pouvons effectuer les opérations qui extraient les informations dont nous avons besoin de la lumière des étoiles tout en supprimant le bruit.”

Pour tester leur théorie, l’équipe a envisagé un scénario dans lequel deux installations (Alice et Bob) séparées par de longues distances recueillent la lumière astronomique.

Chacun partage une intrication pré-distribuée et contient des “mémoires quantiques” dans lesquelles la lumière est capturée, et chacun prépare son propre ensemble de données quantiques (qubits) dans un certain code QEC. Les états quantiques reçus sont ensuite imprimés sur un code QEC partagé par un décodeur, qui protège les données contre les opérations bruyantes ultérieures.

Au stade du “codeur”, le signal est capturé dans les mémoires quantiques par la technique STIRAP, qui permet de coupler de manière cohérente la lumière entrante à un état non radiatif d’un atome.

La possibilité de capturer la lumière de sources astronomiques en tenant compte des états quantiques (et en éliminant le bruit quantique et la perte d’information) changerait la donne pour l’interférométrie. De plus, ces améliorations auraient des implications importantes pour d’autres domaines de l’astronomie qui sont également en train d’être révolutionnés aujourd’hui.

“En passant aux fréquences optiques, un tel réseau d’imagerie quantique améliorera la résolution d’imagerie de trois à cinq ordres de grandeur”, a déclaré Huang.

“Il serait suffisamment puissant pour imager les petites planètes autour des étoiles proches, les détails des systèmes solaires, la cinématique des surfaces stellaires, les disques d’accrétion, et potentiellement les détails autour des horizons des événements des trous noirs – qu’aucun des projets actuellement prévus ne peut résoudre.”

Dans un avenir proche, le télescope spatial James Webb (JWST) utilisera sa suite avancée d’instruments d’imagerie infrarouge pour caractériser les atmosphères des exoplanètes comme jamais auparavant. Il en va de même pour les observatoires terrestres comme l’Extremely Large Telescope (ELT), le Giant Magellan Telescope (GMT) et le Thirty Meter Telescope (TMT).

Grâce à leurs grands miroirs primaires, leurs optiques adaptatives, leurs coronographes et leurs spectromètres, ces observatoires permettront d’étudier les exoplanètes par imagerie directe et d’obtenir des informations précieuses sur leurs surfaces et leurs atmosphères.

En tirant parti des nouvelles techniques quantiques et en les intégrant au VLBI, les observatoires disposeront d’un autre moyen de capturer des images de certains des objets les plus inaccessibles et les plus difficiles à voir de notre Univers. Les secrets que cela pourrait révéler seront certainement (la dernière fois, c’est promis !) révolutionnaires !

Lire aussi : Nous pourrions enfin disposer bientôt de la brique de base idéale pour les ordinateurs quantiques

Source : Universe Today – Traduit par Anguille sous roche